RU191806U1

RU191806U1 - High pressure piston compressor

Info

Publication number: RU191806U1
Application number: RU2019117580U
Authority: RU
Inventors: Владимир Леонидович Юша; Сергей Сергеевич Бусаров
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Предложен компрессор высокого давления для сжатия газов содержащий одну рабочую полость, привод является линейным, обеспечивающий время полного цикла более 1 с, отношение хода поршня к диаметру цилиндра (ψ) более 10 и содержит рубашку охлаждения с охлаждающей средой. Полезная модель относится к компрессору высокого давления для сжатия газов. Предложенная конструкция поршневого компрессора позволяет повысить изотермический КПД компрессора за счет более эффективного охлаждения газа в рабочем объеме компрессора, а также уменьшить металлоёмкость всего агрегата, увеличить ресурс работы и снизить виброшумовые характеристики. Компрессор позволяет получать как низкое давление, так и давление до 10 МПа.A high pressure compressor is proposed for compressing gases containing one working cavity, the drive is linear, providing a full cycle time of more than 1 s, the ratio of the piston stroke to the cylinder diameter (ψ) of more than 10 and contains a cooling jacket with a cooling medium. A utility model relates to a high pressure compressor for compressing gases. The proposed design of the reciprocating compressor allows to increase the isothermal efficiency of the compressor due to more efficient cooling of the gas in the working volume of the compressor, as well as to reduce the metal consumption of the entire unit, increase the service life and reduce vibration and noise characteristics. The compressor allows to obtain both low pressure and pressure up to 10 MPa.

Description

Поршневой компрессор высокого давленияHigh pressure piston compressor

Полезная модель относится к компрессору высокого давления для сжатия газов.A utility model relates to a high pressure compressor for compressing gases.

Известен «МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР ДЛЯ СЖАТИЯ ГАЗОВ» [патент №2298692, опубл. 20.05.2005]. Сущность изобретения заключается в том, что многоступенчатый компрессор для сжатия газов содержит зону низкого давления и зону высокого давления. Зона высокого давления имеет, по меньшей мере, один приводимый в действие через коленчатый вал поршневой компрессор. Зона низкого давления имеет в качестве компрессора низкого давления, по меньшей мере, один винтовой компрессор с вращающимся вытеснителем, который соединен с коленчатым валом поршневого компрессора. Между поршневым компрессором и винтовым компрессором предусмотрены охлаждающее устройство и отделитель конденсата. Known "MULTI-STAGE COMPRESSOR FOR COMPRESSING GASES" [patent No. 2298692, publ. 05/20/2005]. The essence of the invention lies in the fact that a multistage compressor for compressing gases contains a low pressure zone and a high pressure zone. The high pressure zone has at least one piston compressor driven through the crankshaft. The low-pressure zone has, as a low-pressure compressor, at least one screw compressor with a rotary displacer, which is connected to the crankshaft of the reciprocating compressor. A cooling device and a condensate trap are provided between the reciprocating compressor and the screw compressor.

Недостатками аналога является то, что в известном техническом решении присутствуют две ступени сжатия: винтовой компрессор (ступень низкого давления), поршневая ступень (ступень высокого давления), наличие межступенчатого охладителя. Данные конструктивные решения приводят к значительным массогабаритным параметрам и имеют сложное техническое исполнение обусловленное применением двух различных видов компрессоров и дополнительного оборудования.The disadvantages of the analogue are that in the known technical solution there are two compression stages: a screw compressor (low pressure stage), a piston stage (high pressure stage), the presence of an interstage cooler. These design solutions lead to significant weight and size parameters and have a complex technical design due to the use of two different types of compressors and additional equipment.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является «КОМПРЕССОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ» [RU №2432496, опубл. 27.10.2011 г.], в котором сжатие газов осуществляется по меньшей мере, двумя рабочими полостями, который выборочно может быть отрегулирован между одноступенчатым рабочим положением, в котором компримируемый газ сжимается в единственной ступени, и многоступенчатым рабочим положением, в котором, по меньшей мере, одна рабочая полость соединена последовательно с, по меньшей мере, одной последующей рабочей полостью. Предусмотрены, по меньшей мере, три рабочих полости, имеющие все одинаковый рабочий объем. В одноступенчатом рабочем положении все рабочие полости соединены параллельно между собой. Имеется возможность эффективно сжимать газы, имеющие сильно различающиеся уровни давления на входной стороне компрессора высокого давления до высокого давления, в частности до 70 бар. У рассматриваемого компрессора высокого давления это достигается вследствие того, что предусмотрены, по меньшей мере, три рабочих полости, имеющие все одинаковый рабочий объем. Предпочтительно, в частности, если предусмотрены четыре или пять рабочих полостей. У обычных компрессоров высокого давления, у которых несколько рабочих полостей соединены параллельно друг другу, и имеется, таким образом, большой объем подачи, может достигаться степень сжатия, например, природного газа, максимально - около 1:5. Следовательно, компрессорами высокого давления подобного вида, возможно вводить в газопровод высокого давления, имеющий обычно уровень давления 70 бар, только природный газ, который подается на компрессор под давлением около 15 бар. Компрессором высокого давления, соответствующим изобретению, у которого на выбор может выбираться между одноступенчатым режимом работы и многоступенчатым режимом работы, при достижении определенного уровня давления на входной стороне компрессора высокого давления может последовательно подсоединяться, по меньшей мере, одна рабочая полость, так что может достигаться более высокое конечное сжатие, делающее возможным, в частности, ввод сжатого газа в газопровод высокого давления. При этом посредством предусмотрения рабочих полостей с одинаковым рабочим объемом достигается наибольшее возможное эффективное сжатие, то есть высокая производительность, в одноступенчатом режиме работы, в котором все рабочие полости могут быть соединены параллельно. Вместе с этим, посредством предусмотрения трех, в частности, четырех или пяти рабочих полостей достигается высокая эффективность в многоступенчатом режиме работы со степенью сжатия, в частности, 1:3 или 1:4. Таким образом, посредством предусмотрения, по меньшей мере, трех рабочих полостей с одинаковыми рабочими объемами можно достигнуть наибольшего возможного эффективного сжатия сжимаемого газа, как в одноступенчатом режиме работы, так и в многоступенчатом режиме работы.Closest to the claimed technical solution is "HIGH PRESSURE COMPRESSOR AND METHOD OF ITS OPERATION" [RU No. 2432496, publ. October 27, 2011], in which the compression of gases is carried out by at least two working cavities, which can be selectively adjusted between a single-stage working position in which the compressed gas is compressed in a single stage and a multi-stage working position in which at least , one working cavity is connected in series with at least one subsequent working cavity. At least three working cavities are provided having all the same working volume. In a single-stage working position, all working cavities are connected in parallel with each other. It is possible to efficiently compress gases having very different pressure levels on the inlet side of the high pressure compressor to high pressure, in particular up to 70 bar. In the considered high-pressure compressor, this is achieved due to the fact that at least three working cavities are provided having all the same working volume. Preferably, in particular, if four or five working cavities are provided. Conventional high-pressure compressors, in which several working cavities are connected in parallel to each other, and thus have a large supply volume, can achieve a compression ratio of, for example, natural gas, at most about 1: 5. Therefore, with high-pressure compressors of this kind, it is possible to introduce into the high-pressure gas pipeline, which usually has a pressure level of 70 bar, only natural gas, which is supplied to the compressor under a pressure of about 15 bar. The high-pressure compressor according to the invention, which can be selected between a single-stage operating mode and a multi-stage operating mode, upon reaching a certain pressure level at the inlet side of the high-pressure compressor, at least one working cavity can be connected in series, so that more high final compression, which makes it possible, in particular, the introduction of compressed gas into the high pressure gas pipeline. Moreover, by providing working cavities with the same working volume, the greatest possible effective compression is achieved, that is, high productivity, in a single-stage operation mode in which all working cavities can be connected in parallel. At the same time, through the provision of three, in particular four or five working cavities, high efficiency is achieved in a multi-stage mode of operation with a compression ratio, in particular 1: 3 or 1: 4. Thus, by providing at least three working cavities with the same working volumes, it is possible to achieve the greatest possible effective compression of the compressible gas, both in a single-stage operation mode and in a multi-stage operation mode.

Недостатками прототипа является наличие нескольких ступеней сжатия; наличие межступенчатых охладителей, что также как и в аналоге увеличивает массогабаритные параметры агрегата.The disadvantages of the prototype is the presence of several stages of compression; the presence of interstage coolers, which, like in the analogue, increases the overall dimensions of the unit.

В источнике [Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт / П. И. Пластинин– 2-е изд., перераб. и доп. – М.: КолосC, 2006. – 456 с., стр. 114.] приведены данные о возможности сжатия газа в одной ступени со степенью повышения давления 2,5…5. Ограничения по степени повышения давления обусловлены повышением температуры в быстроходных компрессорах выше критического значения 454 К [Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт / П. И. Пластинин– 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 2006. – 456 с., стр. 31.]. Что в существующих конструкциях приводит к необходимости осуществления многоступенчатого сжатия.In the source [Plastinin, P. I. Piston compressors. In 2 vols. T. 1. Theory and calculation / P. I. Plastinin– 2nd ed., Revised. and add. - M .: KolosC, 2006. - 456 p., P. 114.] data on the possibility of gas compression in one stage with a degree of pressure increase of 2.5 ... 5 are given. Limitations on the degree of pressure increase are caused by the temperature increase in high-speed compressors above the critical value of 454 K [Plastinin, P. I. Piston compressors. In 2 vols. T. 1. Theory and calculation / P. I. Plastinin– 2nd ed., Revised. and add. - M .: Kolos, 2006. - 456 p., P. 31.]. Which in existing designs leads to the need for multi-stage compression.

Задачей полезной модели является получение давления газа до 10 МПа в одной ступени с интенсивным внешним охлаждением при атмосферном давлении всасывания (степень повышения давления 100), повышение ресурса работы компрессора, уменьшение шумовых характеристик, уменьшение массогабаритных характеристик.The objective of the utility model is to obtain a gas pressure of up to 10 MPa in one stage with intensive external cooling at atmospheric suction pressure (a pressure increase of 100), increase the compressor service life, reduce noise characteristics, and reduce overall dimensions.

Разработана конструкция поршневого длинноходового (ψ>10) тихоходного (время рабочего цикла – более 1с) компрессора. Наличие линейного привода и параметров ступени ψ=S/D>10. Известно, что в существующих современных компрессорах параметр ψ находится в пределах 0,27…0,8 [5]. Применение линейного привода позволяет выполнить компрессор тихоходным, более продолжительное время охлаждения ступени компрессора позволяет приблизить рабочий цикл к изотермическому, что в пределах допустимой температуры нагнетаемого газа позволяет сжимать газ в одной ступени до давления 10 МПа и более [3,4]. Скорость движения поршня в таких ступенях не более 0,5 м/с, что увеличивает ресурс работы компрессора из-за уменьшения износа трущихся деталей. Низкая скорость движения поршня уменьшает шумовые характеристики ступени.The design of the piston long-stroke (ψ> 10) low-speed (duty cycle time - more than 1 s) compressor has been developed. The presence of a linear drive and stage parameters ψ = S / D> 10. It is known that in existing modern compressors the parameter ψ is in the range 0.27 ... 0.8 [5]. The use of a linear drive allows the compressor to be low-speed, a longer cooling time of the compressor stage allows you to bring the duty cycle closer to the isothermal one, which, within the permissible temperature of the injected gas, allows you to compress the gas in one stage to a pressure of 10 MPa or more [3,4]. The speed of the piston in such steps is not more than 0.5 m / s, which increases the life of the compressor due to reduced wear of the rubbing parts. The low piston speed reduces the noise characteristics of the stage.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:The essence of the utility model is illustrated by drawings, where:

- на фиг. представлена схема поршневого компрессора высокого давления- in FIG. presents a diagram of a high pressure piston compressor

Поршневой компрессор содержит поршень-шток 1, который движется внутри цилиндра 2, рубашка охлаждения 3 и цилиндр 2 образуют пространство для прохождения охлаждающей жидкости, с торца цилиндра 2 со стороны поршня-штока 1 установлена головка цилиндра 4, в которой расположены клапан впуска 5 и выпуска 6 рабочего газа, с другого торца цилиндр закрыт торцевой крышкой 7, для обеспечения герметичности рабочей камеры, образуемой поршнем-штоком 1, цилиндром 2 и головкой цилиндра 4 на поршне-штоке 1 расположены уплотнения компрессионные 8, головка цилиндра 4 держится крышкой фланцевой 9, поршень-шток 1 герметизируется торцевым уплотнением 10. Ввиду длины конструкции её жёсткость обеспечивают шпильки 11. Поршень-шток 1 приводится в движение линейным приводом 12 (например, гидравлическим). The piston compressor contains a piston rod 1, which moves inside the cylinder 2, the cooling jacket 3 and cylinder 2 form a space for the passage of coolant, from the end of the cylinder 2 from the side of the piston rod 1 is installed the cylinder head 4, in which the intake valve 5 and exhaust are located 6 working gas, from the other end the cylinder is closed by an end cap 7, to ensure the tightness of the working chamber formed by the piston rod 1, cylinder 2 and cylinder head 4 on the piston rod 1 are compression seals 8, cylinder head 4 keeps the cover flange 9, the piston-rod 1 is sealed by mechanical seal 10. Due to its rigidity length of the structure provide studs 11. The piston-rod 1 is driven by a linear actuator 12 (e.g., hydraulic).

Компрессор работает следующим образом: поршень-шток 1 приводится в движение линейным приводом 12, газ в рабочей камере сжимается, через полость образованной цилиндром 2 и рубашкой охлаждения 3 прокачивается жидкость, сжимаемый газ интенсивно охлаждается за счёт малой скорости сжатия и развитой поверхности теплообмена (ψ>10). В процессе всасывания газ поступает через клапан впуска 5, а в процессе нагнетания выталкивается через клапан выпуска 6. Оба клапана установлены в головке цилиндра 4. Торцевая крышка 7 служит для соединения цилиндра 2 и рубашки охлаждения 3 в жёсткую систему. Компрессионные уплотнения 8 герметизируют рабочую камеру, установлены на поршне-штоке 1. Крышка фланцевая 9 служит для удержания головки цилиндра 4 и соединяется с рубашкой охлаждения 3. Для направления движения поршня-штока 1 служит торцевое уплотнение 10. Шпильки 11 соединяют фланцы рубашки охлаждения 3 и придают общую жёсткость конструкции компрессора. За счёт соотношения величин хода поршня и диаметра цилиндра (ψ>10), The compressor operates as follows: the piston rod 1 is driven by a linear actuator 12, the gas is compressed in the working chamber, liquid is pumped through the cavity formed by the cylinder 2 and the cooling jacket 3, the compressed gas is intensively cooled due to the low compression rate and developed heat transfer surface (ψ> ten). During the suction process, gas enters through the inlet valve 5, and during the pumping process it is pushed out through the exhaust valve 6. Both valves are installed in the cylinder head 4. The end cap 7 serves to connect the cylinder 2 and the cooling jacket 3 to the rigid system. Compression seals 8 seal the working chamber, are mounted on the piston rod 1. The flange cover 9 serves to hold the cylinder head 4 and is connected to the cooling jacket 3. An end seal 10 is used to direct the piston rod 1. The studs 11 connect the cooling jacket flanges 3 and give the general rigidity of a compressor design. Due to the ratio of the piston stroke to the cylinder diameter (ψ> 10),

ψ=S/D>10,ψ = S / D> 10,

где S – ход поршня, м;where S is the piston stroke, m;

D – диаметр цилиндра, м.D is the cylinder diameter, m

обеспечивается большая площадь теплоотвода и времени полного цикла – более 1 с, а также наличия интенсивного охлаждения обеспечивает условия, при которых газ в рабочем процессе успевает отдавать значительную долю тепла охлаждающей среде. И при нагнетании температура газа не превышает допустимой температуры. К тому же за счёт низкой скорости движения поршня (до 0,5 м/с) увеличивается ресурс работы ступени и снижаются виброшумовые характеристики.a large heat sink area and a full cycle time of more than 1 s are provided, and the presence of intensive cooling provides the conditions under which the gas in the working process manages to give a significant portion of the heat to the cooling medium. And during injection, the gas temperature does not exceed the permissible temperature. In addition, due to the low speed of the piston (up to 0.5 m / s), the working life of the stage increases and the vibration and noise characteristics decrease.

Таким образом предложена конструкция поршневого компрессора, позволяющая повысить изотермический КПД компрессора за счет более эффективного охлаждения газа в рабочем объеме компрессора, а также уменьшить металлоёмкость всего агрегата, увеличить ресурс работы и снизить виброшумовые характеристики. Компрессор позволяет получать как низкое давление, так и давление до 10МПа. Thus, the design of a piston compressor is proposed, which allows to increase the isothermal efficiency of the compressor due to more efficient cooling of the gas in the compressor’s working volume, as well as to reduce the metal consumption of the entire unit, increase the service life and reduce vibration and noise characteristics. The compressor allows to obtain both low pressure and pressure up to 10MPa.

Claims

A high pressure compressor for compressing gases, characterized in that it contains one working cavity, the drive is linear, providing a full cycle time of more than 1 s, the ratio of the piston stroke to the cylinder diameter (ψ) of more than 10 and contains a cooling jacket with a cooling medium.